借助溫度可控的打印頭制造三維模型的方法和設(shè)備的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分所述的用于制造三維模型的方法和設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002] 在歐洲專(zhuān)利文獻(xiàn)EP 0 431 924 Bl中描述了一種用于由計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)制造三維物體 的方法。在此，將顆粒材料以薄層涂覆到平臺(tái)上并且借助具有粘合材料的打印頭選擇性地 打印所述顆粒材料。粘合劑打印的顆粒區(qū)域在粘合劑以及必要時(shí)附加的固化劑的影響下粘 合并且固化。隨后，平臺(tái)以層厚下降到結(jié)構(gòu)圓柱體中并且以提供新的顆粒材料層，同樣如以 上所描述那樣地打印顆粒材料。重復(fù)這些步驟，直至達(dá)到物體的所期望的一定高度。因此， 由所打印的并且所固化的區(qū)域生成三維物體。
[0003] 所述由所固化的顆粒材料制造的物體在其生產(chǎn)完成之后嵌入在松散的顆粒材料 中并且隨后清除所述松散的顆粒材料。這例如借助吸氣裝置實(shí)現(xiàn)。然后剩下所期望的例如 通過(guò)刷凈清除了殘留粉末的物體。
[0004] 其他基于粉末的快速成型處理、例如選擇性的激光燒結(jié)或者電子束燒結(jié)也以相似 的方式工作，其中松散的顆粒材料同樣分別逐層地涂覆并且借助所控制的物理輻射源選擇 性地固化。
[0005] 以下，將所有這些方法歸納在概念"三維的打印方法"或者3D打印方法下。
[0006] 在層構(gòu)造技術(shù)中，基于粉末狀的材料和引入液體粘合劑的3D打印是最快速的方 法。
[0007] 借助所述方法能夠處理不同的顆粒材料，特別是聚合物材料。然而，在此不利在 于，顆粒材料給料不能超過(guò)一定的散裝密度，所述散裝密度通常為理論密度的60%。然而， 所期望的部件的強(qiáng)度決定性地取決于所達(dá)到的密度。就此而言，在此對(duì)于部件的高的強(qiáng)度 需要以液體粘合劑的形式加入顆粒材料體積的40%及以上。由于單個(gè)液滴引入，這不僅是 相相當(dāng)耗時(shí)的處理，而且也引起多個(gè)處理問(wèn)題，它們例如通過(guò)在固化時(shí)液體量的不可避免 的收縮而引起。
[0008] 以本領(lǐng)域已知的"高速燒結(jié)"（縮寫(xiě)：HSS)的另一種實(shí)施方式中，通過(guò)紅外輻射的 引入實(shí)現(xiàn)顆粒材料的固化。在此，通過(guò)融化處理在物理上粘合顆粒材料。在此，充分利用在 沒(méi)有顏色的塑料中熱輻射的相對(duì)差的吸收。然而，能夠通過(guò)將紅外接收體、也稱(chēng)作緩沖劑 (Moderator)引入到塑料中，以使所述吸收提高多倍。在此，可以通過(guò)例如棒狀的紅外燈的 不同方式引入紅外輻射，所述紅外燈均勻地在構(gòu)造區(qū)域上方移動(dòng)。通過(guò)相應(yīng)層的有針對(duì)性 的打印紅外接收體實(shí)現(xiàn)所述選擇性。由此，紅外輻射在已打印了的位置處比在沒(méi)有打印的 區(qū)域中明顯更好地耦合到顆粒材料中。這導(dǎo)致在層中超過(guò)熔點(diǎn)的選擇性加熱并且因此導(dǎo)致 選擇性固化。例如在EP1740367B1和EP1648686B1中描述了所述處理。在那里也描述了一 種簡(jiǎn)單的設(shè)備，然而因?yàn)槿鄙傧鄳?yīng)的溫度控制，所以其僅僅在小規(guī)模中能夠起作用并且不 適于更大的構(gòu)造區(qū)域的打印。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 因此，本發(fā)明的任務(wù)是提供一種可擴(kuò)展設(shè)備，借此能夠?qū)崿F(xiàn)HSS處理或者至少改 善現(xiàn)有技術(shù)的不利。
[0010] 在此，根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備由存儲(chǔ)的顆粒材料的層上的構(gòu)造面組成。構(gòu)造面通過(guò)線 性的移動(dòng)單元逐層地移動(dòng)經(jīng)過(guò)構(gòu)造空間。構(gòu)造空間例如可以通過(guò)在處理結(jié)束之后可以從設(shè) 備取出的交換容器限定。用于層涂覆的設(shè)備部件在處理室中運(yùn)動(dòng)。用于層涂覆的設(shè)備例如 可以是根據(jù)（DE10216013B4)的振動(dòng)涂覆裝置或者反向驅(qū)動(dòng)輥（EP0538244B1)或者簡(jiǎn)單的 刮板，其將顆粒材料以20 μπι至300 μπι厚、優(yōu)選50 μπι至200 μπι厚的薄層涂覆到構(gòu)造區(qū)域 上。
[0011] 打印頭也位于處理室中，所述打印頭至少具有噴嘴并且打印具有紅外接收體的相 應(yīng)層。
[0012] 基本上存在以下可能性：以噴霧的形式或者以單個(gè)液滴的形式矢量形地在構(gòu)造區(qū) 域上涂覆紅外接收體的涂覆。為了達(dá)到適合的分辨率，噴霧大小或者液滴大小應(yīng)當(dāng)位于范 圍20-200 ym中。為了達(dá)到更高的處理速度，使用通過(guò)多個(gè)噴嘴生成單個(gè)液滴并且在構(gòu)造 面上方進(jìn)行柵形運(yùn)動(dòng)的打印頭是有利的。此外，紅外燈位于處理室中，所述紅外燈以點(diǎn)或者 線的形式照射構(gòu)造面整體或者構(gòu)造面的部分。在后兩種情形中，為了照射整個(gè)構(gòu)造區(qū)域，紅 外燈必須借助移動(dòng)單元運(yùn)動(dòng)經(jīng)過(guò)構(gòu)造區(qū)域。棒狀的紅外燈證實(shí)為有利，其在構(gòu)造區(qū)域的整 個(gè)寬度上延伸并且照射移動(dòng)方向上的相對(duì)窄的區(qū)域。可以相互獨(dú)立地或者組合地實(shí)施用于 涂覆裝置、打印頭和紅外燈的運(yùn)動(dòng)的移動(dòng)單元。有利地，以棒狀實(shí)施的燈位于涂覆裝置單元 的背側(cè)上。通過(guò)這種方式，涂覆裝置可以在向回行駛到開(kāi)始位置時(shí)實(shí)施照射，而向另一個(gè)方 向的運(yùn)動(dòng)用于借助可能減小的燈功率的涂覆。在所述實(shí)施中，打印頭可以安裝在燈的進(jìn)一 步后方的另一個(gè)運(yùn)動(dòng)軸上。
[0013] 構(gòu)造面優(yōu)選在至少在構(gòu)造面的側(cè)上敞開(kāi)的構(gòu)造圓柱體中移動(dòng)并且與所述構(gòu)造圓 柱體共同構(gòu)成構(gòu)造空間。優(yōu)選地，在打印處理的結(jié)束之后能夠從設(shè)備取出所述構(gòu)造空間。然 后，所述設(shè)備可以通過(guò)另一構(gòu)造空間的置入再次實(shí)施新的層構(gòu)造處理。
[0014] 借助HSS處理，能夠處理顆粒形式的多種聚合物材料、例如聚酰胺。作為紅外接收 體例如可以使用石墨，其混合在承載液體中作為懸浮液。不同的容易打印的液體一一例如 異丙醇、琥泊酸二甲醋（Dimethylsuccinat)以及具有限制的乙醇或水適合作為承載液體。
[0015] 處理的調(diào)節(jié)必須如此實(shí)現(xiàn)，使得所打印的區(qū)域中的溫度至少短時(shí)間超過(guò)顆粒材料 的熔點(diǎn)。在聚酰胺12(縮寫(xiě)PA12)的情況下，其約是180°C。相反，在沒(méi)有打印的區(qū)域中應(yīng) 當(dāng)使溫度盡可能地低，因?yàn)樵诟偷臏囟葧r(shí)聚合物材料也可能已經(jīng)不可逆地變化。
[0016] 引入到顆粒材料中的紅外能量例如能夠通過(guò)燈功率或者但也通過(guò)棒狀的燈通過(guò) 構(gòu)造區(qū)域的移動(dòng)速度來(lái)調(diào)節(jié)。在所述方法中不利的是，用于紅外接收體的承載液體在所打 印的區(qū)域上蒸發(fā)并且因此在所述處理中所述區(qū)域中的溫度下降。因此有利的是，構(gòu)造空間 中的溫度已經(jīng)通過(guò)適合的措施升高到更高的水平，以便盡可能小地保持必要的溫度差，所 述溫度差必須借助燈來(lái)克服。在此又要注意，不過(guò)大地選擇溫度，以便保持顆粒材料的損壞 小。基本上也存在在涂覆之前加熱顆粒材料的可能性。然而已經(jīng)證實(shí)，在涂覆時(shí)和涂覆之 后將顆粒材料非?？焖俚卣{(diào)節(jié)到周?chē)h(huán)境溫度上并且再次輸出熱能量。對(duì)于PA12而言，對(duì) 于構(gòu)造空間的環(huán)境溫度范圍60°C _120°C證實(shí)為有利。溫度范圍75°C至95°C是更有利的。 在所述溫度時(shí)，顆粒材料可能已經(jīng)開(kāi)始與空氣中的氧氣反應(yīng)。因此，對(duì)構(gòu)造空間施加保護(hù)氣 體可能是必須的。氮?dú)饫邕m合作為保護(hù)氣體，同樣也可以使用其他氣體、例如氬氣。
[0017] 為了使構(gòu)造空間中的溫度增大到所期望的水平，在所述設(shè)備中設(shè)置其他的加熱裝 置可能是必須的。這例如能夠以盡可能均勻地加熱整個(gè)構(gòu)造區(qū)域的紅外輻射器的形式在 構(gòu)造區(qū)域上實(shí)現(xiàn)。然而也可以設(shè)想，從處理室排出空氣，借助相應(yīng)的裝置、例如加熱調(diào)節(jié)器 (Heizregister)將其加熱并且將其再次有針對(duì)性地吹入到處理空間中。此外，當(dāng)盡可能恒 定地保持處理空間中的熱時(shí)是有利的。為此，與溫度傳感器相互作用地調(diào)節(jié)構(gòu)造空間中的 加熱可能性的溫度控制裝置是有利的。在此，構(gòu)造區(qū)域上的溫度梯度不應(yīng)當(dāng)超過(guò)l〇°C。為 了簡(jiǎn)化溫度控制，期望向周?chē)h(huán)境盡可能小地?fù)p失熱。因此需要以適合的措施隔離處理室 并且在門(mén)和蓋上設(shè)置相應(yīng)的密封。同樣適用于構(gòu)造空間，所述構(gòu)造空間同樣如此構(gòu)型，使得 向周?chē)h(huán)境少輸出熱。這通過(guò)在接觸位置處具有相應(yīng)隔離裝置的構(gòu)造圓柱體的雙壁設(shè)計(jì)實(shí) 現(xiàn)。基本上也可能的是，通過(guò)構(gòu)造圓柱體和/或構(gòu)造平臺(tái)的例如內(nèi)壁的主動(dòng)加熱來(lái)平衡構(gòu) 造空間中的溫度損失。另一種可能性在于將已加熱的氣體主動(dòng)引入到構(gòu)造空間中，所述已 加熱的氣體用作能量載體并且向顆粒材料給料輸出熱。氣體的引入例如可以通過(guò)構(gòu)造平臺(tái) 中的孔實(shí)現(xiàn)。
[0018] 作為打印頭可以使用所謂的支路配料器（Strangdo